Chương 8. Thuỷ văn nước ngầm

Ch−ơng 8. Thuỷ văn n−ớc ngầm 8.1 Mở đầu Mục đích của thuỷ văn học là tập trung nghiên cứu các hiện t−ợng n−ớc mặt bao gồm m−a rơi, dòng chảy tràn, thấm, bốc hơi, dòng chảy sông ngòi và trữ l−ợng n−ớc trong hồ và hồ chứa. Một kỹ s− thuỷ văn cũng phải biết dến các hiện t−ợng n−ớc ngầm và dồng chảy ngầm. Ch−ơng này xem xét một số ảnh h−ởng của n−ớc ngầm gồm thuỷ lực n−ớc ngầm và kỹ thuật mô hình n−ớc ngầm. Điều này không thuộc phạm vi xem xét của thuỷ văn học ngoài một vài quyển sách giáo khoa tổng quan đến sự đa dạng của n−ớc ngầm và ảnh h−ởng của nó (Bear, 1979, Dewiest, 1965, Fetter, 1988, Freeze và Cherry, 1979, Todd, 1980). Thuỷ văn n−ớc ngầm rất quan trọng bởi việc cung cấp n−ớc sử dụng ở tầng chứa n−ớc và bởi nguy cơ ô nhiễm tại bề mặt đất hoặc bên d−ới bề mặt đất. Các đặc tr−ng của môi tr−ờng rỗng và bề mặt địa chất đều ảnh h−ởng đến c−ờng độ và h−ớng dòng chảy ngầm trong tầng chứa n−ớc hoặc khi bơm n−ớc có thể thay đổi thuỷ lực mô hình dòng chảy tự nhiên. Một nhà thuỷ văn phải hiểu biết về các ph−ơng pháp đã đ−ợc đ−a ra để dự báo c−ờng độ dòng chảy và các h−ớng chuyển động trong các hệ thống n−ớc ngầm. 481 Hình 8.1 Xu h−ớng sử dụng n−ớc ngầm ở Mỹ (1950-1985) Hình 8.2. Phần trăm ng−ớc ngầm trong tổng n−ớc sử dụng, 1985 482 N−ớc ngầm là một nguồn quan trọng cung cấp n−ớc cho sinh hoạt, nông nghiệp và công nghiệp. Hình 8.1 chỉ ra phần trăm n−ớc sử dụng n−ớc ngầm trong các lĩnh vực ở Mỹ, và hình 8.2 miêu tả l−ợng sử dụng n−ớc ngầm quan hệ sử dụng n−ớc tại mỗi bang ở đó. Nhìn những con số đã chỉ ra, nhìn chung các vùng phía tây và giữa miền tây phụ thuộc vào n−ớc ngầm lớn hơn rất nhiều. Thiết kế hệ thống cung cấp n−ớc bằng việc sử dụng n−ớc ngầm trong tầng chứa n−ớc là một phần quan trọng của thuỷ văn công trình. Cục địa chất Mỹ (USGS) có trách nhiệm chủ yếu trong việc thu thập số liệu n−ớc ngầm và đánh giá số liệu này trong điều kiện tác động đến việc cung cấp n−ớc, l−ợng n−ớc tháo và sự ô nhiễm n−ớc. Theo điều tra, USGS cung cấp thông tin về số liệu mực n−ớc ngầm và l−ợng n−ớc ở Mỹ. Các nguồn thông tin cơ bản khác từ các cơ quan tài nguyên n−ớc là Hiệp hội địa chất Mỹ và Hiệp hội các tài nguyên n−ớc quốc gia. Các cơ cấu nh− là : n−ớc ngầm, nghiên cứu tài nguyên n−ớc và nghiên cứu địa chất hàng ngày là các thông tin kỹ thuật chính để các cơ quan trao đổi. 8.2 những tài nguyên n−ớc ngầm Sự phân bố theo chiều thẳng đứng của n−ớc ngầm Năm 1980 Todd đã chỉ ra rằng, n−ớc ngầm có thể đ−ợc mô tả phù hợp với sự phân bố theo chiều thẳng đứng. Hình 8.3. Cấu trúc thẳng đứng của các tằng chứa n−ớc 483 Hình 8.3 chỉ ra sự phân bố lớp n−ớc theo mặt cắt. Đới thổ nh−ỡng là đối mở rộng từ bề mặt đất xuống qua vùng rễ cây, nó thay đổi tuỳ thuộc vào loại đất và thực vật. Tổng l−ợng n−ớc có trong đới thổ nh−ỡng phụ thuộc cơ bản vào địa chất m−a rơi và thấm. N−ớc liên kết chủ yếu bám vào bề mặt hạt đất, trong khi n−ớc trọng lực chảy qua đất d−ới tác động của trọng lực. N−ớc mao dẫn đ−ợc duy trì bởi sức căng bề mặt bên trên mặt tầng n−ớc ngầm. Mặt tầng n−ớc ngầm đ−ợc định nghĩa nh− là độ cao tại đó n−ớc sẽ dâng lên trong một cái giếng đ−ợc khoan sâu vào đới bão hoà. Đới thông khí mở rộng từ giới hạn d−ới của đới thổ nh−ỡng đến giới hạn trên của đới mao dẫn (xem hình 8.3). Chiều dày đới có thể thay đổi từ 0, những nơi mặt tầng n−ớc ngầm cao, đến hơn 100 m ở những vùng khô nh− là Arizona hoặc New Mexico. Các lực liên kết và lực mao dẫn giữ n−ớc trong đới thông khí và các lực này cũng làm chậm sự vận chuyển của dòng thấm và dòng chảy trọng lực xuống mặt tầng n−ớc ngầm. Hình 8.4 Các đặc tr−ng độ ẩm đất Vùng mao dẫn hoặc đới mao dẫn mở rộng từ mặt tầng n−ớc ngầm lên phía trên tới giới hạn của độ cao mao dẫn. Độ cao này tỷ lệ nghịch với cỡ lỗ hổng của đất và tỷ lệ thuận với sức căng bề mặt. Độ cao mao đẫn có thể nằm trong phạm vi 2.5 cm, với sỏi mịn đến hơn 200 cm, với bùn (Lohman, 1972). Bên trên mặt tầng n−ớc ngầm hầu hết các lỗ hổng đều chứa n−ớc mao dẫn và độ cao n−ớc mao đẫn phụ thuộc vào loại đất. Hình 8.4 chỉ ra đ−ờng cong ẩm của một loại đất điển hình. Đới bão hoà nằm bên d−ới mặt tầng n−ớc ngầm. Độ rỗng là một phép đo trực tiếp l−ợng n−ớc chứa trong một đơn vị thể tích, đó là tỷ số của thể tích lỗ hổng với tổng thể tích. Chỉ một phần n−ớc trong đời bão hoà có thể chuyển động bằng hệ thống tiêu n−ớc hoặc bằng sự phun từ một cái giếng. L−u l−ợng riêng đ−ợc định nghĩa là thể tích n−ớc nhả ra từ một tầng chứa n−ớc không áp trên một đơn vị diện tích bề mặt với một đơn vị hạ thấp mặt n−ớc ngầm ban đầu. Hạt mịn sản ra l−ợng n−ớc nhỏ, ng−ợc lại hạt thô cung cấp l−ợng n−ớc khá lớn và đáp ứng cho tầng chứa n−ớc. Nhìn chung, l−u l−ợng riêng của cấu trúc bở rời nằm trong phạm vi từ 7% đến 25%. Một cái hố đào thẳng đứng vào trong đất tới một tầng chứa n−ớc gọi là giếng. Những giếng này đ−ợc sử dụng để lấy n−ớc, thu n−ớc, các mục đích khác và quan sát độ 484 cao n−ớc ngầm. Th−ờng thì một bộ phận của giếng thông với tầng chứa n−ớc và đ−ợc xây thành để ngăn cản n−ớc trong tầng chứa n−ớc đi vào giếng. Xem hình 8.7 để chi tiết hơn về cấu trúc của một cái giếng. Tầng chứa n−ớc Một tầng chứa n−ớc có thể đ−ợc định nghĩa nh− là một sự hình thành bao gồm các vật chất thấm đ−ợc bão hoà để cung cấp l−ợng n−ớc khá lớn cho các giếng và các nguồn n−ớc. Nhìn chung, tầng chứa n−ớc có diện tích lớn có thể nằm bên trên hoặc bên d−ới một cái đáy cách n−ớc, là một lớp vật chất không thấm. Tầng n−ớc treo có quan hệ với vật chất không thấm n−ớc nh− là đất sét và tầng chứa n−ớc, là một địa tầng thấm n−ớc rất nhỏ nh− là cát pha sét, nó có thể ăn thông với n−ớc ở bên cạnh các tầng cát chứa n−ớc. Tầng chứa n−ớc có thể đ−ợc đặc tr−ng bởi độ rỗng của đất đá, đ−ợc diễn tả nh− là tỷ số của thể tích lỗ hổng Vv và tổng thể tích V. Độ rỗng cũng có thể đ−ợc diễn tả: m bv V V n ρ ρ−== 1 (8.1) với ρ là mật độ của các hạt, ρb là mật độ tổng cộng. Bảng 8.1 Phạm vi độ rỗng của một số loại vật chất trong tầng chứa n−ớc* Chất liệu Độ rỗng % Chất liệu Độ rỗng % Sỏi thô 28 Đất hoàng thổ 49 Sỏi vừa 32 Than bùn 92 Sỏi mịn 34 Đá phiến 38 Cát thô 39 Đá bùn 35 Cát vừa 39 Đá sét 43 Cát mịn 43 Đá phiến sét 6 Bùn 46 Sét tảng lăn có bùn 34 Sét 42 Sét tảng lăn có cát 31 Đá cát mịn 33 Đá núi lửa 41 Đá cát vừa 37 Bazan 17 DolomiDá vôi 30 Gabro 43 Dolomit 26 Đá granit 45 Đụn cát 45 * Theo Morris và Johson, 1967 Hình 8.5 . Phân bố cỡ hạt khi phân tích hai mẫu địa chất 485 Các vật chất có cấu trúc không vững chắc th−ờng đ−ợc phân loại theo sự phân bố và cỡ của chúng. Cơ sở của sự phân loại cỡ đất đ−ợc chỉ ra trong bảng 8.2. Cỡ hạt đ−ợc đo đạc bằng sàng cho các hạt nhỏ hơn 0.005 mm và sắp xếp tỷ lệ đo đạc cho các hạt nhỏ hơn. Đồ thị phân bố cỡ hạt đặc tr−ng đ−ợc chỉ ra trong hình 8.5. Hệ số đồng dạng chỉ quan hệ đồng dạng của vật chất. Vật chất đồng dạng nh− là cát mịn có hệ số thấp, trong khi vật chất Graptolit nh− là đất phù sa có hệ số cao (hình 8.5). Kết cấu đất đ−ợc định nghĩa bằng tỷ lệ t−ơng đối của cát, bùn, sét trong phân tích cỡ hạt và có thể đ−ợc diễn tả một cách rõ nhất treong tam giác kết cấu đất (hình 8.6) Ví dụ, một loại đất với 30% đất sét, 60% bùn, 10% cát đ−ợc chỉ ra Bảng 8.2 Phân loại đất cơ bản Vật liệu Cỡ hạt (mm) Đất sét < 0.004 Bùn 0.004-0.062 Cát rất mịn 0.062-0.125 Cát mịn 0.125-0.25 Cát trung bình 0.25-0.5 Cát thô 0.5-1.0 Cát rất thô 1.0-2.0 Sỏi rất mịn 2.0-4.0 Sỏi mịn 4.0-8.0 Sỏi trung bình 8.0-16.0 Sỏi thô 16.0-32.0 Sỏi rất thô 32.0-40.0 Hình 8.6. Phân bố tỷ lệ cấu trúc đất đá 486 Hầu hết các tầng chứa n−ớc đ−ợc xem xét nh− tầng chứa n−ớc ngầm. Tầng chứa n−ớc ngầm nhận n−ớc từ m−a rơi hoặc từ một nguồn nhân tạo. N−ớc chảy ra từ một tầng chứa n−ớc do trọng lực hoặc sự phun của các giếng. Các tầng chứa n−ớc có thể đ−ợc phân chia thành tầng chứa n−ớc có áp và tầng chứa n−ớc không áp, phụ thuộc vào sự có mặt của mặt tầng n−ớc ngầm. Một tầng chứa n−ớc có áp khe nứt là một địa tầng cho phép n−ớc chảy qua mặt phân cách n−ớc. Hình 8.7. Mặt cắt minh hoạ các dòng ngầm giới hạn và không giới hạn Hình 8.7 chỉ ra một mặt cắt ngang thẳng đứng minh hoạ các tầng chứa n−ớc có áp và không áp. Tầng chứa n−ớc không áp là một tầng mà tại đó tồn tại mặt tầng n−ớc ngầm và mặt đó lên xuống theo sự thay đổi của l−ợng trữ n−ớc ngầm. Tầng n−ớc treo là một ví vụ về phần n−ớc có áp nằm trên đỉnh của thấu kính tách biệt với tầng chứa n−ớc chính. Tầng chứa n−ớc có áp còn gọi là tầng chứa n−ớc actezi xuất hiện ở những nơi n−ớc ngầm bị giới hạn bởi một địa tầng không thấm đ−ợc t−ơng đối và n−ớc nằm d−ới áp suất lớn hơn áp suất khí quyển. Nếu một cái giếng khoan sâu vào tầng chứa n−ớc thì mực n−ớc sẽ tăng lên so với mực ở tầng giới hạn. Nếu mực n−ớc tăng lên khỏi khỏi mặt đất thì sẽ tạo ra một giếng phun hoặc nguồn phun và gọi là giếng actezi hoặc nguồn actezi. Vùng cung cấp n−ớc cho tầng chứa n−ớc có áp và tầng chứa n−ớc có thể vận chuyển n−ớc từ vùng cấp n−ớc này đến vị trí tự nhiên hoặc nguồn thu nhân tạo. Mặt áp lực (hoặc mặt địa thế vị ) của một tầng chứa n−ớc có áp là mực áp suất thuỷ lực của n−ớc trong tầng chứa n−ớc. Mặt áp lực đ−ợc xem nh− là đ−ờng mực n−ớc trong giếng khoan. Chú ý rằng, tầng chứa n−ớc có áp có thể trở thành không áp khi mực áp lực hạ thấp xuống d−ới đáy của lớp giơí hạn bên trên. Bản đồ đ−ờng đồng mức hoặc các mặt profile có thể là mặt tầng n−ớc ngầm không áp hoặc là mặt áp lực của tầng chứa n−ớc có áp. Các đ−ờng đẳng thế này sẽ đ−ợc trình bày chi tiết hơn trong phần 8.3. Một điều đ−ợc xác định từ hàng loạt các giếng khoan trong một tầng chứa n−ớc là các đ−ờng trực giao có thể đ−ợc vẽ để chỉ ra h−ớng chung của dòng n−ớc ngầm theo h−ớng giảm áp suất áp lực. Một thông số quan trọng có liên quan đến khả năng sinh sản n−ớc của tầng chứa n−ớc, hệ số trữ l−ợng S đ−ợc định 487 nghĩa là thể tích n−ớc mà một tầng chứa n−ớc nhả ra hoặc nhận đ−ợc trên một đơn vị diện tích bề mặt một đơn vị thay đổi áp suất thuỷ lực. Xét một tầng chứa n−ớc có áp, giá trị của S nằm trong phạm vi từ 0.00005 đến 0.005, chỉ ra rằng sự thay đổi áp suất lớn cung cấp trữ l−ợng cho sự thay đổi nhỏ. Xét các tầng chứa n−ớc không áp, sự thay đổi trữ l−ợng đ−ợc diễn đạt bằng sự cung cấp thể tích của tầng chứa n−ớc nằm giữa mặt tầng n−ớc ngầm tại thời điểm đầu và thời điểm cuối và l−u l−ợng riêng trung bình của sự hình thành. Do đó, hệ số l−u l−ợng cho một tầng chứa n−ớc không áp bằng l−u l−ợng riêng (7% - 25% ). 8.3 Sự chuyển động của n−ớc ngầm Định luật Darcy Chuyển động của n−ớc d−ới đất đ−ợc thiết lập bởi các nguyên lý thuỷ lực mà Henri Darcy đã đ−a ra vào năm 1856. Ông đã nghiên cứu khảo sát dòng chảy của n−ớc qua các lớp cát thấm đ−ợc. Darcy đã phát hiện ra một trong các định luật quan trọng nhất của thuỷ văn học - đó là c−ờng độ dòng chảy qua môi tr−ờng rỗng tỷ lệ với tổn thất ban đầu và tỷ lệ nghịch với chiều dài dòng chảy. Định luật Darcy phục vụ cho những hiểu biết cơ bản về dòng chảy ngầm và thuỷ lực học. Hình 8.8 trình bày thí nghiệm về ảnh h−ởng của hệ số tổn thất thuỷ lực qua một cột cát với các ống đo áp đặt cách nhau một khoảng L. Tổng năng l−ợng của hệ thống này có thể đ−ợc diễn đạt bởi ph−ơng trình Bernoulli : 2 2 22 1 2 11 22 z g v y P z g v y P ++=++ (8.2) Bởi vì trong môi tr−ờng rỗng vận tốc nhỏ, do đó các cột n−ớc l−u tốc có thể bỏ qua, Cột n−ớc tổn thất đ−ợc xác định : )()( 22111 zy P z y P h +−+= (8.3) với P =áp suất g = trọng l−ợng riêng của n−ớc v = vận tốc z = mực n−ớc h1 = tổn thất cột n−ớc Theo đó, cột n−ớc tổn thất phụ thuộc vào độ nghiêng của cột cát. Darcy đã liên hệ giữa c−ờng độ dòng chảy đến cột n−ớc tổn thất và chiều dài cột cát qua một tỷ số không đổi đ−ợc gọi là K- hệ số thấm thuỷ lực, để đo khả năng thấm của môi tr−ờng rỗng. Định luật Darcy có thể viết: dL dh K A Q V −=−= (8.4) 488 Dấu trừ (-) chỉ ra dòng chảy của n−ớc theo h−ớng giảm thuỷ lực. Vận tốc Darcy đ−ợc tính từ ph−ơng trình (8.4) là vận tốc trung bình qua toàn bộ mặt cắt ngang của cột cát. Dòng chảy thực sự chỉ bị giới hạn trong không gian rỗng, do dó vận tốc thấm Vs bằng vận tốc thấm chia cho độ rỗng. nA Q Vs = (8.5) Theo công thức trên, vận tốc thực tế lớn hơn nhiều so với vận tốc theo Darcy. Hình 8.8. Tổn thất đầu n−ớc qua cột cát Định luật Darcy chỉ áp dụng cho dòng chảy tầng trong môi tr−ờng rỗng và các kinh nghiệm chỉ ra rằng, định luật Darcy chắc chắn cho hệ số Reynolds nhỏ hơn 1 và có lẽ bằng 0.1. Điều này là giới hạn trên cho sự áp dụng hợp lý định luật Darcy, định luật Darcy đ−ợc sử dụng trong hầu hết các hệ thống n−ớc ngầm. Sự phân chia có thể diễn ra gần giếng phun và trong các hệ thống tầng chứa n−ớc khe nứt có độ mở lớn. Hệ số thấm thuỷ lực Hệ số thấm thuỷ lực của cát hoặc đá phụ thuộc vào sự đa dạng của các nhân tố vật lý và có một yêu cầu đối với tầng chứa n−ớc là sự vận chuyển n−ớc. Tầng chứa n−ớc cát có giá trị K lớn hơn tầng chứa n−ớc đá. Bảng 8.3 chỉ ra các giá trị đặc tr−ng của hệ số thấm thuỷ lực cho các loại vật chất. Nh− đã nói ở trên, K có thay đổi nhiều giá trị trong một tầng chứa n−ớc mà tầng chứa n−ớc đó có thể chứa nhiều loại vật chất khác nhau. Do đó vận tốc và c−ờng độ dòng chảy có thể thay đổi trong cùng một phạm vi nh− định luật Darcy đã diễn đạt. Hệ số truyền là một tham số sử dụng trong thuỷ lực n−ớc ngầm khi áp dụng cho các tầng chứa n−ớc có áp. Nó đ−ợc định nghĩa nh− là tích số của K và chiều dày đới bão hoà của tầng chứa n−ớc b. Hệ số thấm thuỷ lực th−ờng có đơn vị m/ngày ( ft/ngày) và hệ số truyền T có đơn vị là m2/ngày (ft2/ngày ) Một đơn vị cũ của T vẫn đ−ợc đ−a ra trong một vài tr−ờng hợp sử dụng là gal/ngày/ft. Sự chuyển đổi các đơn vị cho các thông số này đ−ợc trình bày trong phụ lục B. Hệ số thấm hình học của đá và sỏi là một giá trị trung bình nó phụ thuộc vào các đặc tr−ng của chất lỏng. Hệ số thấm hình học k có thể đ−ợc tính: 489 g K k ρ à.= (8.6) với ρ : Mật độ chất lỏng à : Hệ số nhớt động học g : Gia tốc trọng tr−ờng Hệ số thấm hình học k có đơn vị m2 hoặc Darcy, bằng 0.987(àm)2, k th−ờng đ−ợc sử dụng trong ngành công nghiệp dầu, k còn đ−ợc sử dụng trong thuỷ văn n−ớc ngầm để phân loại các hệ thống tầng chứa n−ớc. Bảng 8.3 Các giá trị đặc tr−ng của hệ số thấm thuỷ lực Trầm tích bở rời Hệ số thấm thuỷ lực (cm/s) Sỏi 3.0 - 3.10-2 Cát thô 6.10-1 - 9.10 -5 Cát trung bình 5.10-2 - 9.10 -5 Cát mịn 2.10-2 - 2.10-5 Bùn, hoàng thổ 2.10-3 - 1.10-7 Sét tảng lăn 2.10-4 - 1.10-10 Sét 5.10-7 - 1.10-9 Sét biển 2.10-7 - 8.10-11 Đá trầm tích Đá vôi Karst 2 - 1.10-4 Đá vôi và dolomit 6.10-4 - 1.10-7 Cát kết 6.10-4 - 3.10-8 Đá phiến sét 2.10-7 - 1.10-11 Đá kết tinh Bazan thấm đ−ợc 2 - 4.10-5 Macma khe nứt bở rời 3.10-2 - 8.10 -7 Bazan 4.10-5 - 2.10-9 Macma ngoài khe nứt bở rời 2.10-8 - 3.10-12 Granit 3.10-4 - 5.10-3 Xác định hệ số thấm thuỷ lực Hệ số thấm thuỷ lực trong đới bão hoà có thể đ−ợc xác định bởi một thông số kỹ thuật trong phòng thí nghiệm cũng nh− trong môi tr−ờng. Thấm có áp suất không đổi và thấm có áp suất giảm đ−ợc sử dụng trong phòng thí nghiệm để đo K và đ−ợc trình bày chi tiết hơn bên d−ới. Trong một tr−ờng hợp, kiểm tra toàn diện về máy bơm, độ nhớt và khoảng vạch thay đổi để xác định K. Những thí nghiệm này đ−ợc trình bày trong 8.5 và 8.6 theo h−ớng dẫn chung của các giếng thuỷ lực. Một thông số (hình 8.9) đ−ợc sử dụng trong phòng thí nghiệm để đo K bằng việc duy trì dòng chảy qua một vật chất nhỏ và đo c−ờng độ dòng chảy và cột n−ớc tổn thất. Cho một thông số áp suất thuỷ lực không đổi, định luật Darcy có thể đ−ợc áp dụng một cách chính xác để tìm K, với V là thể tích dòng chảy trong thời gian t qua một mẫu diện tích A, chiều dài L, và cột n−ớc không đổi h : htA LV K .. .= (8.7) Thí nghiệm về hệ số giảm cột n−ớc bao gồm việc đo c−ờng độ giảm cột n−ớc trong 490 ống hoặc trong cột và cần chú ý : dt dh rQ 2π= (8.8) Định luật Darcy có thể viết cho một mẫu đất nh− : dt dh KrQ c 2π= (8.9) Sau khi tích phân, ph−ơng trình đ−ợc: )ln( 2 1 2 2 h h tr Lr K c = (8.10) với K, r, rc, đ−ợc chỉ ra trong hình 8.9 và t là khoảng thời gian cho n−ớc giảm từ h1 xuống h2 . Thí nghiệm lỗ khoan bao gồm việc đo đạc sự thay đổi mực n−ớc sau khi giảm đi hoặc thêm vào một thể tích n−ớc trong lỗ khoan. Giá trị K có thể áp dụng đ−ợc một cách gần đúng cho các lỗ và nó đ−ợc sử dụng trong các điều kiện mặt n−ớc ngầm nông. Thí nghiệm ép n−ớc cho các giếng nông có tác dụng trong nhiều hình dáng, vói sự đo dạc việc giảm hoặc tăng mực n−ớc theo thời gian. Hình 8.9. Các thiết bị đo thấm thuỷ lực dơn giản Thí nghiệm về giếng phun bao gồm sự lấy n−ớc đều từ một giếng đơn và quan trắc mực n−ớc giảm ở một vài cái giếng bên cạnh. Theo cách này, một tổ hợp giá trị K của một bộ phận tầng chứa n−ớc đ−ợc xác định. Nhìn chung, các tr−ờng số liệu đ−a ra các giá trị K khác nhau khá lớn so với các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm t−ơng đ−ơng đ−ợc thực hiện trong một vị trí trung tâm di chuyển từ tầng chứa n−ớc. Do đó các thí nghiệm ngoài đồng thích hợp hơn để xác định thông số của tầng chứa n−ớc. Các tầng chứa n−ớc dị h−ớng Hầu hết các hệ thống địa chất thực sự có khuynh h−ớng thay đổi theo một hoặc nhiều chiều do các quá trình trầm tích hoặc phân lớp có thể xảy ra. Vậy, vị trí tr−ờng số liệu tiêu biểu là trong lớp trầm tích phù sa. Chúng ta nhận thấy hệ số thấm thuỷ lực theo h−ớng thẳng đứng Kz nhỏ hơn hệ số thấm theo h−ớng ngang Kx. Xét tr−ờng hợp tầng chứa n−ớc gồm hai lớp với giá trị K và bề dày hai lớp là khác nhau, chúng ta có thể 491 áp dụng định luật Darcy cho dòng chảy ngang với : 21 2211 zz zKzK K x + += (8.11) Hoặc công thức chung: ∑ ∑= i ii x z zK K . (8.12) Với Ki = K ở lớp i zi = bề dầy của lớp i Xét tr−ờng hợp dòng chảy thẳng đứng qua hai lớp, qz là dòng chảy t−ơng tự trên một đơn vị diện tích ngang ở mỗi lớp. zqK z K z dhdh )( 2 2 1 1 21 +=+ (8.13) nh−ng: z z q K zz dhdh )( 2121 +=+ (8.14) Với Kz : hệ số thấm thuỷ lực cho toàn bộ hệ thống. Từ ph−ơng trình 8.13 và 8.14 chúng ta có: )()( 2 2 1 1 21 K z K z zz K z + += (8.15) Hoặc công thức chung: ii i z Kz z K /∑ ∑= (8.16) Tỷ số Kx/Kz th−ờng rơi trong phạm vi từ 2 đến 10 đối với phù sa, có giá trị hơn 100 đối với sét. Trong sự ứng dụng để phân lớp hệ thống, nó cần thiết để áp dụng trong mô hình dòng chảy ngầm, các mô hình mà có thể tính chính xác cho các địa tầng phức tạp qua sự mô phỏng số trị. Việc lựa chọn các mô hình đ−ợc trình bày trong phần 8.8. Mạng l−ới dòng chảy Ban đầu, định luật Darcy đ−ợc áp dụng cho một chiều, nh−ng bởi vì nhiều tr−ờng hợp n−ớc ngầm có hai hoặc ba chiều nên các ph−ơng pháp thay đổi để quyết định c−ờng độ và h−ớng dòng chảy. Xét trong tr−ờng hợp các đ−ờng dòng và các đ−ờng đẳng thế đ−ợc vẽ với các điều kiện biên đ−ợc định tr−ớc để tạo thành một mạng l−ới dòng chảy (hình 8.10 ) theo hai chiều. Các đ−ờng đẳng thế đặt cơ sở để quan sát mực n−ớc trong giếng thấm vào một tầng chứa n−ớc đẳng h−ớng. Sau đó các đ−ờng dòng đ−ợc vẽ vuông góc để chỉ ra h−ớng dòng chảy. Xét mạng l−ới dòng chảy của hình 8.10, gradient thuỷ lực i đ−ợc viết: ds dh i = (8.17) Và dòng chảy q trên một đơn vị bề dày giữa hai đ−ờng dòng cạnh nhau là: dm ds dh Kq = (8.18) 492 Nếu chúng ta giả thiết ds = dm cho một l−ới ô vuông thì cho n ô vuông giữa hai đ−ờng dòng tại đó tổng cột n−ớc đ−ợc chia (h=H/n) và cho m phần dòng chảy đ−ợc chia: n KmH mqQ == (8.19) với K: hệ số thấm thuỷ lực của tầng chứa n−ớc m: số phần dòng chảy n: số ô vuông theo h−ớng dòng chảy H: tổng tổn thất cột n−ớc theo h−ớng dòng chảy Hình 8.10. Mạng l−ới dòng chảy hiệu quả Hình 8.11. Sơ đồ tính nút thuỷ lực Mạng l−ới dòng chảy là ph−ơng pháp đồ thị hữu hiệu để thể hiện các đ−ờng đòng và các đ−ờng đẳng thế. Bởi vì dòng